ESP8266にArduinoスケッチを書き込んでUDPデータ送受信

こんにちは、イシイです。

前回の「ESP8266を使ってArduinoからネットワーク接続してみる」では、ESP8266を単純にWi-Fiモジュールとしてのみ使用し、スケッチ自体はArduino Uno本体に書き込んだ構成にしていましたが、今回はESP8266にスケッチを書き込んでArduinoとして使用し、ESP-WROOM-02のみでプログラムの実行とネットワーク通信を行います。 また、今回はESP-WROOM-02開発ボードではなく、ESP-WROOM-02ピッチ変換済みモジュール《フル版》の使い方も学びながら進めてみます。

事前準備

使用するもの

• ESP-WROOM-02ピッチ変換済みモジュール《フル版》
• FTDI USBシリアル変換アダプター(5V/3.3V切り替え機能付き)
• 2.54mmピッチ ピンヘッダ(ESP-WROOM-02にハンダ付け)
• ジャンパーピン
• ブレッドボード
• マイクロUSBケーブル(シリアル通信用)

ESP-WROOM-02のピンヘッダハンダ付け

ESP-WROOM-02ピッチ変換済みモジュール《フル版》にはピンヘッダが付属していないため、2.54mmピッチのピンヘッダを準備し、ハンダ付けをしておきます。

USBシリアル変換アダプターの電圧設定

手元に用意したUSBシリアル変換アダプターは、ジャンパーブロックで5V/3.3Vの切替が可能なタイプのものなので、ESP-WROOM-02の動作電圧にあわせて、3.3V側にジャンパブロックを移動させます。

配線図

ESP-WROOM-02ピン配置

USBシリアル変換アダプターピン配置

ESP-WROOM-02のモードについて

ESP-WROOM-02での接続には２つのモードがあり、ATコマンドでやりとりしたり書き込んだスケッチを実行する「Flash Boot Mode(実行モード)」と、スケッチを書き込んだりファームウェアアップデートを行うための「UART Download Mode(書き込みモード)」があります。
上記の配線図は前者の「Flash Boot Mode」です。「Flash Boot Mode」と「UART Download Mode」の配線の違いは、IO0ピンがLOWなのかHIGHなのかだけなので、ATコマンドを使ったりスケッチを実行する場合には、IO0ピンはHIGH(上記の図で言うとブレッドボードの+)に設置します。
なお、配線図ではRSTピンのジャンパーがどこにも接続していませんが、モードを変える際にリセットするために使用するので、現状は宙ぶらりんのままで問題ありません。リセットは、RSTピンをGNDに落としてLOWにし、その後ピンを外すことで実行されます。

ATコマンドでアクセスポイント接続を試す

まずは、ATコマンドでアクセスポイントを設定し、設定したアクセスポイントに接続できるのかを試してみます。「Flash Boot Mode」でUSBケーブルを接続した状態で、シリアルモニターからATコマンドを実行します。
ESP8266モジュールをアクセスポイントモードにするには

AT+CWMODE=2
OK

で、アクセスポイントの設定は

AT+CWSAP="ESP_WROOM_02","hoge4009",2,3
OK

となります。 「ESP_WROOM_02」がSSID、「hoge4009」がパスワード、「2」がチャネルID、「3」が暗号化方式(WPA2PSK)になります。暗号化方式でWPA2PSKを選んでるせいか、パスワードは英数字混合でないとエラーになってしまいました。

ここまでできたら、MacからESP8266モジュールのアクセスポイントにアクセスできるか試してみます。

無事接続まででき、ひとまずアクセスポイントが機能することが確認できました。

UDPでのデータ送受信の準備

今度は、同じアクセスポイント内の端末とのUDPデータ送受信のテストをしてみます。

書き込みモードに変更

ESP8266にスケッチを書き込むためには「UART Download Mode」に変更する必要があるため、IO0ピンをブレッドボード-に挿します。また、挿しただけだと切り替わらないため、RSTピンをブレッドボード-に一度挿し、またピンを抜きます。これでリセットがかかって「UART Download Mode」として起動され、書き込みが可能になります。

ボードの取得

ESP8266にArduinoスケッチを書き込めるようにするために、Arduino IDE側でも準備をします。 ここのGithubページ内にある、ボードマネージャーのインストールを行います。

Arduino IDEを開き、Arduino > Preferencesウィンドウを表示し、Additional Board Manager URLsに

http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

を追加します。既に他の記述がある場合には、カンマ区切りで複数設定することができます。その後、Tools > Boards Manager からesp8266を選択してインストールし、IDE側の準備は完了です。

これで、必要な環境のインストール作業は完了です。

スケッチの準備

UDPで受信したデータをシリアルモニターに表示し、送信元に「ok」を返すだけのスケッチを用意します。

#include <esp8266wifi.h>
#include <wifiudp.h>
 
//Access Point Setting
const char *APSSID = "ESP_WROOM_02";
const char *APPASS = "hoge4009";
unsigned int localPort = 8888;
 
WiFiUDP UDP;
char packetBuffer[255];

static const char *udpReturnAddr = "192.168.4.2";
static const int udpReturnPort = 8889;
 
void setup() {
 
  Serial.begin(115200);
  Serial.println();
 
  WiFi.softAP(APSSID, APPASS);
 
  IPAddress myIP = WiFi.softAPIP();
  Serial.print("AP IP address: ");
  Serial.println(myIP);
  UDP.begin(localPort);
 
}
 
void loop() {
 
  int packetSize = UDP.parsePacket();
 
  if (packetSize) {
 
    int len = UDP.read(packetBuffer, packetSize);
    //終端文字設定
    if (len > 0) packetBuffer[len] = '\0';
 
    Serial.print(UDP.remoteIP());
    Serial.print(" / ");
    Serial.println(packetBuffer);
 
    UDP.beginPacket(udpReturnAddr, udpReturnPort);
    UDP.write("ok");
    UDP.endPacket();  
    
  } 
 
}

スケッチ書き込みの設定

Arduino IDEの書き込みボードに「Generic ESP8266 Module」を選択すると、いくつかのオプションが表示されますので、それぞれ下記のように設定します。

これで、コンパイルチェックとスケッチのアップロードができます。

スケッチ書き込み

およそ10秒くらいかかって、スケッチアップロードの完了です。

動作テスト

スケッチを実行するには「Flash Boot Mode(実行モード)」にする必要があるため、IO0ピンをブレッドボード+に挿し、RSTピンをブレッドボード-に一度挿し、またピンを抜いてリセットを行います。これで「Flash Boot Mode」で起動されたので、この状態でシリアルモニターを立ち上げると、スケッチが実行されて

AP IP address: 192.168.4.1

が表示されています。残すはUDP送受信のテストです。

UDP送受信プログラムの準備

簡易的な送受信テストを行うプログラムをNode.jsで準備してみます。

/*
Send Message To ESP-WROOM-02 
*/
var ESP_HOST = '192.168.4.1';
var ESP_PORT = 8888;

var dgram = require('dgram');
var sender = dgram.createSocket('udp4');
var message = new Buffer('test message');

sender.send(message, 0, message.length, ESP_PORT, ESP_HOST, function(err, bytes) {
if (err) throw err;
sender.close();
    });

/*
Receive Message From ESP-WROOM-02 
*/
var NODE_HOST = '192.168.4.2';
var NODE_PORT = 8889;

var receiver = dgram.createSocket('udp4');

receiver.on('message', function (message, remote) {
console.log('From ESP_Module Message : ' + message);

    });

receiver.bind(NODE_PORT, NODE_HOST);

プログラムの実行

Macで、設定したSSID「ESP_WROOM_02」に接続し、ESP8266とローカルで実行するNode.jsを同じネットワーク内に接続します。Node.jsのプログラムを実行すると、Arduinoのシリアルコンソールには

192.168.4.2 / test message

が表示され、Node.jsを実行したコンソールには

From ESP_Module Message : ok

が表示され、UDP送受信の動作確認ができました。

感想

ESP-WROOM-02開発ボードでは、「Flash Boot Mode」と「UART Download Mode」の切替やリセットなどの機能が吸収されていて、ボードをIDEに追加してボードオプションを設定する以外には何もせずに、マイクロUSBケーブルを挿すだけでスケッチの書き込みも実行もできるので、今回使用したESP-WROOM-02ピッチ変換済みモジュール《フル版》に比べて手間が少なく便利ですが、開発ボードに比べて安価で(といっても、シリアルUSBアダプタも用意すると、1枚だけでは差がつきませんが)、小型化や軽量化の際には開発ボード以外のものも使う可能性が出てくるので、今回は違うものを使用してみました。

設定さえ済ませて慣れてしまえば、容易にArduinoスケッチを利用することができ、この小型のモジュール内でプログラムもネットワーク機能も使用できるので、ESP8266モジュールは非常に有用に思われます。ただし、ここでは触れてはいませんが、やはりArduino Unoなどに比べて出力電流が弱かったり、アナログピンが使いにくかったりと、他のArduinoモジュールのすべてを満たす代替品になるわけではないので、やはり用途によっての使い分けが必要そうですが、安価でありながら小型でネットワーク機能を持ったこのモジュールは、色々なシーンで使えそうです。